【儀表網(wǎng) 儀表下游】導(dǎo)讀：來自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的研究人員將兩種不同的方法結(jié)合起來，創(chuàng)建了一個(gè)綜合工作流程，以開發(fā)用于設(shè)計(jì)和制造定制軟體機(jī)器人的新型自動(dòng)化流程。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的方法可以應(yīng)用于其他類型的軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了以一種簡單易行的方式定制機(jī)械性能。
 

　　軟體機(jī)器人是一種新型柔軟機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，與人類的交互也更安全。機(jī)器人本體利用柔軟材料制作，一般認(rèn)為是楊氏模量低于人類肌肉的材料；區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)，軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要取決于所使用的智能材料；一般有介電彈性體(DE)、離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)、形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)等等，從響應(yīng)的物理量暫時(shí)分為如下幾類：電場(chǎng)、壓力、磁場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)、光、溫度。科學(xué)家依此設(shè)計(jì)了各種各樣的軟體機(jī)器人，大多數(shù)軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)是模仿自然界各種生物，如蚯蚓、章魚、水母等。
 

　　軟體機(jī)器人是研究的一個(gè)主要領(lǐng)域，因?yàn)檐涹w機(jī)器人特別擅長在有人類的環(huán)境中工作，而且更加靈活。軟體機(jī)器人的靈感來自于生物體的靈活形態(tài)，在傳感、運(yùn)動(dòng)、物體抓取和操縱等方面有廣泛的應(yīng)用。通常情況下，軟體機(jī)器人是使用手工鑄造技術(shù)制造的，這限制了研究人員可以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和幾何形狀。對(duì)于新的機(jī)器人，該團(tuán)隊(duì)使用3D打印或增材制造，在一個(gè)支持性矩陣中擠出各種材料油墨。
 

　　該工藝特別適合于制造由多種材料或復(fù)合材料制成的軟體機(jī)器人。該團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化來確保他們的軟體機(jī)器人的較佳設(shè)計(jì)，使用數(shù)學(xué)模型在一組特定的約束條件下設(shè)計(jì)定制的結(jié)構(gòu)。將這兩個(gè)步驟優(yōu)化成一個(gè)單一的框架，使作者能夠開發(fā)出一個(gè)集成的工作流程，用于創(chuàng)建定制的軟體機(jī)器人，同時(shí)最大限度地減少潛在的錯(cuò)誤。
 

　　在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出了一個(gè)會(huì)游泳的自主機(jī)器人，其靈感來自于雙足動(dòng)物，工作流程從定義機(jī)器人的鰭的幾何形狀開始，然后利用拓?fù)鋬?yōu)化在規(guī)定的材料和運(yùn)動(dòng)約束下生成具有所需屬性的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)被轉(zhuǎn)化為由定制的3D打印機(jī)讀取的代碼，用于制造機(jī)器人。
 

　　這些軟體機(jī)器人被設(shè)計(jì)為在海洋環(huán)境中生存，該方法的重點(diǎn)是調(diào)整鰭的組成，以評(píng)估這些變化如何影響機(jī)器人的游泳性能。研究人員在優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的復(fù)合鰭比采用傳統(tǒng)鑄造的軟鰭的同類產(chǎn)品快50%。它也比采用硬鰭的機(jī)器人略快。
 

　　應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域
 

　　軟體機(jī)器人在生產(chǎn)生活中具有極其廣泛的應(yīng)用。根據(jù)其使用場(chǎng)景可分為以下3種主要運(yùn)用領(lǐng)域。
 

　　人機(jī)交互康復(fù)機(jī)器人。相比于傳統(tǒng)剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人柔軟的機(jī)體使其可以更高效、安全地與人類和自然界進(jìn)行交互。如同人體靈活的軀干與肌肉，軟體機(jī)器人柔軟的機(jī)體、彎曲的形態(tài)和不規(guī)則的表面令其在不同環(huán)境中能夠更為靈活的運(yùn)動(dòng)。因此，將軟體機(jī)器人與可穿戴設(shè)備結(jié)合用以幫助特殊人群完成生理活動(dòng)。哈佛大學(xué)的軟體機(jī)器人手套利用軟體致動(dòng)器組成的模壓彈性腔與纖維增強(qiáng)，誘導(dǎo)特定的彎曲，能夠使肌肉或者神經(jīng)受損的患者獨(dú)立把握物體。研究者們對(duì)這些軟致動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械編程，以匹配和支持使用者個(gè)別手指的精確運(yùn)動(dòng)。與此相似的還有拇指柔性康復(fù)手套。除小型的穿戴設(shè)備外，還出現(xiàn)了步態(tài)協(xié)助軟機(jī)器人exosuit這樣覆蓋全身的大型可穿戴設(shè)備。它可以像正常的衣服一樣佩戴，最大限度減少與穿著者的相互干涉，對(duì)穿戴者起到輔助作用。目前，中國已經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家，也是人口老齡化發(fā)展速度最快的國家之一。中國正逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)，加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，大眾對(duì)于服務(wù)機(jī)器人的需求日益增長，在人機(jī)交互和康復(fù)領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用，更應(yīng)受到更加廣泛的關(guān)注。因此，大力發(fā)展軟體機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，提高研發(fā)水平，早日實(shí)現(xiàn)其在人機(jī)交互及康復(fù)領(lǐng)域的運(yùn)用和普及，滿足社會(huì)發(fā)展及市場(chǎng)的需求。
 

　　勘探、野外運(yùn)動(dòng)。在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，抑或遇到懸崖、巖洞、海底等復(fù)雜未知環(huán)境，用機(jī)器人代替人類工作就顯得十分必要。傳統(tǒng)的剛體或超冗余度機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力不足以承擔(dān)日趨精密的勘探任務(wù)，而軟體機(jī)器人則可以利用自身柔軟、彎曲程度高、自由度大等優(yōu)勢(shì)很好地適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境，承擔(dān)起勘探、救援等工作。一種柔軟可變形機(jī)器人可以通過爬行、跳躍等方式在崎嶇的地形中輕松自如地移動(dòng)。此外，利用內(nèi)燃爆炸驅(qū)動(dòng)的方式，機(jī)器人可以不受限制地跳躍通過各種障礙。在水下，柔軟的尾鰭推進(jìn)機(jī)器魚可以像魚一樣潛水、擺尾、游動(dòng)，進(jìn)而完成水底勘探、搜尋等工作。而仿生章魚機(jī)器人運(yùn)用仿生學(xué)原理，可以通過狹小的通道并利用非結(jié)構(gòu)化的觸手在曲折的地面前進(jìn)或作出抓取動(dòng)作。此外，斯坦福大學(xué)研發(fā)了一款新的軟體機(jī)器人Vine-link robot。此機(jī)器人全身由薄的軟塑料包裹而成，形成類似于管狀的軀體，且有部分向內(nèi)折疊。科學(xué)家通過固定端往機(jī)器人的軀體內(nèi)注入壓縮空氣，通過流體驅(qū)動(dòng)的方式將內(nèi)部折疊部分展開膨脹，致使軀體延伸并按照設(shè)定方向前進(jìn)。在研究人員公布的資料中，Vine-link robot可以舉起100 kg的木箱，以各種蜿蜒曲折的姿態(tài)通過不同的障礙物，并可以抵御火焰的高溫。在Vine-link robot頂端安裝攝像頭，可以通過實(shí)時(shí)的畫面?zhèn)鬏敨@取機(jī)器人所在環(huán)境信息，配合機(jī)器人柔軟軀體帶來的靈敏性，完成相應(yīng)勘探或救援任務(wù)。在未來勘探救援領(lǐng)域，軟體機(jī)器人可發(fā)揮重要作用。
 

　　資料來源：cnBeta、科技導(dǎo)報(bào)